激光強化技術(shù)在刀具材料改性中應(yīng)用
切削加工是基本而又常用的精密加工手段赊真,在機械叹惕、電機、電子等各種產(chǎn)業(yè)部分中都起著重要的作用弦银,決定切削加工效率的因素很多如機床态措、刀具、工件等宦衡,其中刀具是最活躍的因素桑抱。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少尼荆、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等左腔,在很大程度上取決于刀具材料的機械性能和加工性能,因此人們不斷地研究開發(fā)新的刀具材料耀找。但新材料的開發(fā)速度常常與現(xiàn)代切削加工生產(chǎn)要求存在一定的差距翔悠,如在高速切削300~1000m/min切削鋼、90~200m/min切削鈦合金等要達到這樣高的切削速度野芒,就要發(fā)展具有更加優(yōu)異的高溫力學性能蓄愁、高化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫熱抗振性的刀具材料,加速刀具材料的研究與開發(fā),合理選用刀具材料是推動高速切削技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要前提撮抓。
激光加工是激光應(yīng)用的首要領(lǐng)域妇斤,在此領(lǐng)域中激光對物體材料的強化處理占有很重要的位置,特別是對材料表面可進行多種強化處理丹拯。
在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理站超,熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài),同時迅速凝固乖酬,產(chǎn)生新的表面層死相。根據(jù)材料表面組織變化情況,可分為合金化先俐、溶覆丘三、重溶細化、上釉和表面復(fù)合化等坷字。激光熔凝是用適當?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面许辖,使其表面快速熔融、快速冷凝通肋,獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)贮猛。它具有以下優(yōu)點:
1.表面熔化時一般不添加任何金屬元素,熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合璃蓬。
2.在激光熔凝過程中闺蜈,可以排除雜質(zhì)和氣體,同時急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度匈歼、耐磨性和抗腐蝕性俊伯。
3.其熔層薄摧辣、熱作用區(qū)小飞校,對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用啰哪。
4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限喝壹,晶粒及第二相質(zhì)點超細化碗旅,形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài),從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能施无。
5.光束可以通過光路導(dǎo)向,因而可以處理零件特殊位置和形狀復(fù)雜的表面必孤。
二猾骡、刀具材料激光表面改性國內(nèi)外研究概況
目前國內(nèi)外與此相關(guān)的文獻較多,如利用XeCl準分子激光器(波長308nm)照射Al2O3-SiC納米復(fù)合陶瓷試樣敷搪,能量密度在0.8J/cm3~6.0J/cm3范圍內(nèi)兴想,照射后,表面缺陷消除,形成連續(xù)分布的光滑平整的熔化層嫂便,并出現(xiàn)亞穩(wěn)相γ-Al2O3捞镰,由于表面形貌的改善和結(jié)構(gòu)的變化,使表面韌性得到提高。W18Cr 4V車刀表面經(jīng)激光涂覆處理后毙替,對于深切削岸售、快速切削和切削特硬,耐磨性有明顯的提高弯枢,若以后刀面磨鈍為標準,提高近250%玖远;若以前刀面磨鈍為標準,提高200%;若以破損為標準涡瀑,提高近100%歧晕。此外車刀前刀面激光處理后,后刀面的耐磨性有明顯增長洪铣;后刀面激光處理后捕导,前刀面抗月牙洼磨損能力也有一定的提高,但增長幅度不及前者学和。北京工業(yè)大學的宣崇武孔选、張連寶利用激光表面合金化新技術(shù),改變木材加工刀片的表面成分袋滔,以提高刀片韌性厨鸣。激光表面合金化所得的合金化層與刀片基體之間是一種冶金結(jié)合,結(jié)合力優(yōu)于各種噴涂層缩旬。最佳產(chǎn)品一次刃磨平均產(chǎn)量<20t续誉,但刀片本身折損率>30%。激光合金化處理后的刀片初肉,一次刃磨壽命比最佳產(chǎn)品平均提高3倍左右酷鸦,且刀刃不崩、不卷牙咏、不折斷臼隔,稍加磨刃可繼續(xù)使用。無錫冶金機械廠的李良福在用激光加工法提高刀具耐用度的經(jīng)驗證實妄壶,激光強化對改善各種刀具的工作能力有較好的效果摔握。例如T8A、T10A丁寄、CrWMn和9Cr鋼模具的耐用度可提高若干倍氨淌,成型模的壽命較一般熱處理后的使用壽命可提高15-19倍,較氮化鈷耐磨層的模具提高0.5-1倍伊磺。前蘇聯(lián)曾對WC85%+Co15%和WC92%+Co8%兩種硬質(zhì)合金粉末進行激光熔覆試驗盛正,使用35-30J的固體脈沖激光和0.1拼卵,0.5,1-3Kw的連續(xù)CO2激光器捅我,掃描速度2.2-17mm/s窑肾,在Y8A工具鋼基體上熔覆(WC92+Co8)粉末所得最高顯微硬度為HV1180。KJ.Schmaxtjko利用準分子激光對陶瓷材料(Al2O3灿打、ZnO2玛纹、Si3N4)的表面直接進行重熔改性,結(jié)果表明:陶瓷材料的表面粗糙度從激光改性前的10-15μm杏兰,下降到1-4μm瑞喧,且孔隙率大大下降。(暫不可見)titbon的重熔方式可使表面裂紋和孔隙至少下降50%秀毡。
最近幾年藤汇,激光對各種刀具材料表面強化都有不同程度的報導(dǎo)[5,6],也有人直接研究了激光對高速刀具的表面強化智精,雖然激光合金化和熔覆陶瓷層已經(jīng)取得了關(guān)鍵性的進展蜻肄,但是在工業(yè)實際批量化應(yīng)用較少,特別是在刀具材料改性方面丙卧。
三.目前激光強化技術(shù)在民用刀具制造的應(yīng)用
民用刀具量大面廣琴致,有:廚刀、剪刀洪鸭、剃須刀样刷、粉碎刀等,目前刀具失效原因主要在刀刃览爵,如刃口磨損置鼻、崩刃、腐蝕等蜓竹,為了達到經(jīng)久耐用的目的箕母,一般制造工藝方法是:1)采用整體高性能合金材料,如高速鋼等2)采用復(fù)合鋼梅肤,如復(fù)合鋼板刀剪等3)刃口鑲焊硬質(zhì)合金材料司蔬,如硬質(zhì)合金邑茄、陶瓷姨蝴、高速鋼等。前兩種方法原材料要求較高肺缕,制造成本較高左医;而后者由于鑲焊往往為材料硬脆性材料,給制造工藝帶來困難同木,如硬質(zhì)合金與基體的鑲焊強度男鳞、硬質(zhì)合金鑲焊長度有限等嫌寓,使用壽命受到影響。
激光堆焊是繼激光熔覆技術(shù)上發(fā)展起來的一項新的激光加工技術(shù)拣壮,借鑒傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)優(yōu)點虎北,用大功率激光為加熱源,對同步送入的合金焊絲與基體表層同時快速熔化呈缴,得到和基體完全冶金結(jié)合的并具有特殊性能(耐磨腋尘、耐蝕、耐熱等)的表層酌峻,形成復(fù)合層盈综,用于制造雙金屬刀具。而激光合金化則是在基體的表面熔融層內(nèi)加入合金元素坊阎,從而形成以基材為基礎(chǔ)的新的合金層寒圃,達到表面改性,刃口強韌化的目的惶政。
綜合上述技術(shù)的優(yōu)點背涉,把這一技術(shù)應(yīng)用于刀具材料表面強化處理,則是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一移必,尤其對于陶瓷刽严、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點避凝,有利于提高加工效率和加工精度舞萄,并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強度相對較低管削,韌性和可$&*性較差倒脓,嚴重地限制了它們的應(yīng)用范圍,因此把激光表面強化技術(shù)應(yīng)用于陶瓷含思、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景崎弃。
目前,國內(nèi)外提高刀具抗磨損的方法主要分為兩類:一種是常規(guī)的表面處理法含潘,如采用非常規(guī)的表面淬火方法饲做、激光熔覆的方法(覆層的合金粉多為Ni、Co基自熔合金或添加粗顆粒的碳化鎢或者采用激光厚層熔覆遏弱,這類方法比較適用于磨粒磨損很高的工況盆均,例如,礦山差齐、石油依堆、農(nóng)機等采掘工具)等,其存在的缺點就是易產(chǎn)生裂紋等缺陷气弥。另一種是最近發(fā)展起來的涂層刀具驮荚,此類方法的缺點就是沉積涂層較薄蔼紫。這兩種方法都有其不同程度的缺點。前者是通過材料本身發(fā)生的顯微組織轉(zhuǎn)變來提高硬度及耐磨性兆送,因而只對碳鋼有效恒焕,而對硬質(zhì)合金、高速鋼材料的刀具材料而言則效果不明顯棺距,采用后者不僅涂層較薄用印,涂層沉積時間較長,而且實際使用中常常發(fā)生剝落現(xiàn)象堰漾。
以下為激光表面強化技術(shù)在刀具材料改性中的應(yīng)用實例做鸽。
3.1家用廚刀激光熔覆表面改性
采用激光涂層在常用的不銹鋼廚刀刃口進行薄層快速熔覆,得到涂覆層均勻就餐、高耐磨的刀具刃口范咨,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀具生產(chǎn)工藝,改造其產(chǎn)業(yè)提高刀具(廚刀)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和附加值厂庇。通過對涂層材料的配比渠啊、激光涂層性能等方面的分析研究,開發(fā)出與“懶漢刀”同等水平的廚刀并將其實用化权旷。通過優(yōu)化工藝采用預(yù)置式合金粉末得到了無裂紋替蛉、一定硬度涂層的厚度、變形小拄氯、回火帶窄的刃口躲查。可以看出译柏,熔覆層均勻覆蓋在刀刃上镣煮。
對斷面分析,從外向內(nèi)可以明顯的看出分為4個區(qū)域:熔覆層鄙麦、硬化過渡區(qū)典唇、回火區(qū)和基體材料。
3.1.1熔覆區(qū)
該區(qū)以涂層材料為主要成分胯府,硬度較高HV990-1300贾焊,厚度0.02-0.08mm,其中大量未熔的硬質(zhì)顆粒痪猛,起到了彌散強化的作用占赤。涂層過厚易形成裂紋,影響使用扛浸,通過優(yōu)化工藝參數(shù)命画,得到了既無裂紋、硬度高濒陈、表面光潔唁狼,與基體呈良好冶金結(jié)合的涂層,而這一涂層正是提高刃口磨損性能的關(guān)鍵嘶遏。
3.1.2硬化過渡區(qū)
這一區(qū)域包含與熔覆層相接的合金化層铁魁,與回火區(qū)相接的淬火區(qū),占硬化層的80%宰爆,硬度層硬度平緩過度酵毕,組織主要是過度細化的馬氏體和碳化物。
3.1.3回火區(qū)
由于掃描速度的加快蟆豫,回火區(qū)變窄议忽,組織為索氏體及碳化物∈酰回火區(qū)的存在有利于保持刃口的韌性栈幸,在高硬度沖擊情況下不至于斷裂。
3.2激光熔滲納米改性強化刀具
激光熔滲是一種結(jié)合激光熔覆工藝和激光合金化工藝的表面改性的方法帮辟。將其運用到園林刀具生產(chǎn)過程中速址,可以對不同類型的刀具進行激光表面改性強化。納米材料較之微米級材料具有更好的力學性能由驹,涂覆于基體表面的納米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝芍锚,以部分納米硬質(zhì)合金顆粒滲入到基體材料當中,起到了微合金化作用蔓榄,而刀具表面又可以獲得納米晶的覆層并炮,因而不僅提高了強韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深,延長了刀具的使用壽命甥郑。
刀片經(jīng)過激光處理后渣触,在表層形成明顯的硬化層,硬度呈現(xiàn)梯度變化壹若,心部仍保持原來的組織玖生。這樣使得表層硬而耐磨,芯部保持韌性绰蚁,而且運轉(zhuǎn)過程有“自銳性”效果丑钱,使得刀片的使用壽命延長。該刀片的厚度為1.5mm嘁汞,硬化層深度為0.18mm呕漾,表層白亮層為合金碳化物,馬氏體,硬度為HV0.2 820-766凰侈,心部為回火屈氏體锋力,硬度為HV316。
四郎丰、激光強化技術(shù)在刀具材料改性應(yīng)用的展望
目前國內(nèi)外對工程陶瓷與硬質(zhì)合金材料的研究有一定的進展吩饶,另一方面激光對刀具進行表面強化處理屬當前機械加工領(lǐng)域的前沿绷坠,用強激光束對代替某些熱處理是一種有效的方法,結(jié)合當前納米技術(shù)的發(fā)展唯乃,在這三個方向的基礎(chǔ)上找到它們的結(jié)合點泥天,參照同類近似的研究方法,對陶瓷壳影、硬質(zhì)合金的激光強化機理及技術(shù)進行研究拱层,提出了在以后研究工作中將通過對高耐磨/耐蝕/耐熱納米硬質(zhì)粉材(陶瓷、復(fù)合材料等)的研制及配比宴咧、激光納米強化層性能根灯、激光厚層堆焊工藝與硬質(zhì)合金材料等方面的分析研究,針對不同刀具采用相應(yīng)的工藝掺栅,利用普通的刀具材料開發(fā)出提高刀具刃口強韌性烙肺、耐磨性及使用壽命的新產(chǎn)品,獲得對各種刀具類材料激光堆焊復(fù)合柿冲、納米合金熔滲及產(chǎn)品化實用化的總體工藝技術(shù)茬高,使其能滿足實際生產(chǎn)的復(fù)雜要求,尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大假抄、可靠性低等缺點怎栽,為改進硬質(zhì)合金和陶瓷材料增添了一條有效的途徑。
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